Realkalisatie voor beton middels elektrochemisch procédé

Realkalisatiemethode voor gecarbonateerd beton
Gewapend beton is een duurzaam en sterk bouwmateriaal. Dat is mede te danken aan de goede samenwerking tussen beton en staal. Daarom dus eigenlijk een ideaal bouwmateriaal. Jarenlang heeft men dan ook gedacht niet naar dit bouwmateriaal te hoeven omkijken.

In de afgelopen jaren is echter duidelijk geworden dat beton wel degelijk aandacht en onderhoud nodig heeft. Juist in de samenhang tussen beton en staal kunnen een aantal dingen misgaan. De meest bekende in deze zijn het carbonateren en een te hoog chloridepercentage in beton. Beide mechanismen kunnen tot gevolg hebben, dat de bewapening in de betonconstructie gaat corroderen, mits aan twee randvoorwaarden wordt voldaan, voldoende vocht en zuurstof.

De samenwerking tussen beton en staal bestaat onder andere uit het feit, dat in beton voor het staal een zeer gunstig milieu aanwezig is. Door de hoge ph-waarde van beton, die ligt tussen de 12 en 13, vormt het staal een passieverende laag, die bestaat uit een zuur dun huidje dat hematiet wordt genoemd. Hierdoor wordt voorkomen dat het staal in het beton zal gaan roesten.

Carbonisatie
In niet uitgedroogd beton zijn de poriën gevuld met water, dat verzadigd is aan calciumhydroxide(vrije kalk). Een dergelijke oplossing geeft onder andere een hoge ph-waarde aan het beton. Bij uitdroging van deze poriën in het beton zal de lucht er binnen kunnen dringen, waardoor het koolzuur uit de lucht zal reageren met het calciumhydroxide, waarbij deze wordt omgezet in calciumcarbonaat.

Deze reactie heeft tot gevolg dat de ph-waarde daalt van circa 12 tot minder dan 9, waardoor de natuurlijk gevormde passiveringslaag op het staal verdwijnt. Daardoor kan het corrosieproces op gang komen mits weer aan de randvoorwaarden wordt voldaan. Indien het corrosieproces plaats vindt, zal uiteindelijk door uitzetting van het staal, schade aan de betonconstructie optreden en zal reparatie nodig zijn.

Reparatiemethoden
Tot voor kort was de enige juiste methode om deze betonschade problemen te behandelen, het gecarbonateerde beton rond de wapening, waar schade was opgetreden, geheel weg te hakken tot liefst enkele centimeters achter de wapening. In de praktijk kwam het er dikwijls op neer dat er een hele laag van het beton werd afgepeld, waarna er een nieuwe laag beton door middel van spuiten werd opgebracht.

Deze methode geeft echter nogal eens problemen voor het beton, door het ontstaan van ongewenste microscheuren en beschadigingen van de wapening tijdens het hakken. Daarnaast ontstaat voor bewoners en gebruikers van het gebouw tijdens de uitvoering grote overlast in de vorm van geluid, trillingen en stof.

Alternatieve methoden
Om de wapening in gecarbonateerd beton tegen corrosie te beschermen, heeft men in de loop der jaren diverse alternatieve methodes getracht toe te passen.

Bijvoorbeeld door een electropositief materiaal in het beton aan te brengen, waar een kathodische bescherming van uit zou gaan. Tevens heeft men getracht het beton weer hoog alkalisch te maken, door een alkalische vloeistof in het beton te persen of het beton hiermede te besproeien. Dit heeft echter nooit tot de gewenste resultaten geleid, doordat de indringingsdiepte, ook na lange tijd, maar enkele millimeters bleek te zijn.

Realkalisatie
Enkele jaren geleden is het idee ontstaan om een alkalische vloeistof via een proces van elektro - osmose in het beton te brengen. Dit werd gedaan door een spanningsverschil op te leggen tussen de wapening in het beton en een extern aangebracht wapeningsnet tegen het oppervlak, wat omhuld werd door een alkalische gel, zodat de alkaliën in het beton werden gezogen.

Bij dit proces bleek het beton dat gecarbonateerd was, na behandeling inderdaad sterk alkalisch te worden rond de wapening, wat werd toegeschreven aan het binnendringen van de alkalische gel door de elektronosmotische werking.
Uit onderzoek blijkt echter dat het verhogen van de ph-waarde, dus het alkalisch worden rond de wapening, berust op een geheel ander fenomeen en niet voortkomt uit het electro-osmotisch-proces die de alkalische gel naar binnen zou “zuigen”.

De werking van realkalisatie
Realkalisatie berust in hoofdzaak op de elektrochemische werking ten gevolge van het opgelegde potentiaal verschil en heeft tot doel om de betondelen rondom het wapeningsstaal, waarvan de ph-waarde lager is dan 9, terug te brengen naar een hogere ph-waarde die uiteindelijk zal komen te liggen op circa 12.

Aan de buitenzijde van het beton wordt een extern geleidingsnet aangebracht, dat door middel van een elektrolyt via het beton contact maakt met het wapeningsnet van het te realkaliseren betonoppervlak. Door het externe net en het wapeningsnet aan te sluiten op een gelijkstroombron wordt een elektrolytisch element verkregen. Het wapeningsnet wordt verbonden met een minpool. De wapening zal hierdoor kathodisch worden en het externe net anodisch.

Ten gevolge van de opgelegde spanning zal er een stroom gaan lopen, die in de metalen delen plaatsvindt door verplaatsing van elektronen en in het beton door uitwisseling van ionen. Aan de kathodepool zal een kathode reactie plaatsvinden, waarbij elektronen worden opgenomen door de vorming van hydroxide-ionen ( oh)

Aan de anodepool zal een anode - reactie plaatsvinden, waarbij de elektronen worden afgestaan en positieve ionen worden gevormd.
De negatieve ionen zullen richting anode stromen en de positieve ionen richting kathode.

De ph-waarde wordt bepaald door de negatieve logaritme van de waterstofionen - concentratie uitgedrukt in mol / 1, dus een waterstofionenconcentratie van 10-13 heeft een ph–waarde van 13. Door de vorming van negatieve hydroxide – ionen in het beton, neemt de concentratie van de positieve waterstofionen af, waardoor de ph–waarde in het beton zal stijgen. Indien 10% van het gecarbonateerde beton gerealkaliseerd is tot een ph–waarde van circa 13 is voldoende gewaarborgd dat het beton voor lange tijd tegen corrosie schade, veroorzaakt door carbonatatie, beschermd is.


Kernboring waarbij aan de wapening de alkaliteit naar buiten treedt

Uitvoering in de praktijk, een voorbeeld
Bij de uitvoering van het realkalisatieproject in de frederikstraat te den haag is door ons gekozen voor een nieuwe opzet. In eerst instantie was er een proef gemaakt met een bestaande methode, die er van uitging het externe stalen net te bespuiten met een alkalische gel. Bij uitvoering hiervan stuitte men op een aantal problemen, zoals overlast bij het spuiten, uitdroging van de alkalische gel en roesten van het stalen net, wat de werking van het systeem ernstig beïnvloed. Contrôle en bijsturen van het proces tijdens de uitvoering was niet goed mogelijk.

Daarom heeft Ervas international b.v. besloten de uitvoering op een andere wijze aan te pakken.

Uitgangspunten voor het nieuwe systeem waren:

  • Bedrijfszekerheid ook nadat het meerdere malen gebruikt is.
  • Gemakkelijke hanteerbaarheid en verplaatsbaarheid.
  • Geen stofoverlast of gevaar voor bewoners.
  • Contrôle en bijsturen zonder dat het hele systeem verwijderd moet worden.

Ervas cassettensysteem
Genoemde criteria hebben geresulteerd in het Ervas cassetten – systeem bestaande uit een kunststofbak die is vervaardigd van slagvast materiaal in de afmeting 1400 x 550 x 50. De inhoud van de cassette bestaat uit 3 lagen vilt met daar bovenop een sponsachtig materiaal, met voldoende capillaire werking en veerkracht, dat circa 10 mm boven de cassette uitsteekt om bij het aandrukken van de cassette een goed contact te maken met het betonoppervlak.
Voor het externe net, dat tussen de lagen vilt is geplaatst, is gekozen voor een titaananode net, waarvan het oppervlak is geactiveerd. Dit heeft ten opzichte van een stalen net een zeer lange levensduur, zodanig dat het een aantal malen gebruikt kan worden, zonder dat de kwaliteit afneemt. De cassette is gevuld met een elektrolyt, bestaande uit een soda oplossing van 1 molair per liter.

In werking stellen van het systeem
Voordat het realkalisatiesysteem in werking wordt gesteld dienen een aantal punten te worden gecontroleerd: de hoeveelheid meewerkend staaloppervlak in het beton moet bepaald worden voor berekening van de stroomsterkte. Het meewerkend staaloppervlak moet continu verbonden zijn. Het betonoppervlak dient gecontroleerd te worden op scheuren, slechte plekken en binddraadjes in verband met eventuele kortsluiting. Tevens dient er een goed beeld te zijn van de wapeningsdekken en de ligging van de wapeningsstaven.

Vóór het aanbrengen van het systeem wordt het plafond gereinigd door middel van stralen. Scheuren en slechte plekken worden gedicht en binddraadjes verwijderd, daarna worden aansluitingen gemaakt tussen het wapeningsnet en de minpool van de stroombron. Vervolgens worden de cassetten tegen het plafond geplaatst door middel van houten onderslagen op schroefstempels.

Als het hele systeem staat opgesteld worden de cassettes gevuld met de elektrolyt tot circa 10 millimeter onder de rand, waarna de schroefstempels worden aangedraaid, en de elektrische bedrading wordt aangesloten.

Omdat een grote stroomsterkte zal ontstaan, is gekozen voor een symmetrische opbouw van de bedrading, zodat de weerstand gelijk verdeeld wordt en per cassette een zo gelijk mogelijke stroom zal gaan lopen.

Nadat het systeem is aangesloten wordt de stroom ingesteld, die geleverd wordt door hoog vermogen gelijkrichters en ampère gestuurd is, zodat bij de ingestelde en vooraf bepaalde ampère, de stroom afhankelijk van de op dat moment heersende weerstand in het systeem de juiste spanning wordt gekozen.

Controle van het systeem
Het verbruikte ampèrage per tijdseenheid staat in analogie met de productie van hydroxide-ionen, dus uiteindelijk weer met de verhoging van de alkaliteit. Hiervoor is in de stroomkast een zelfregistrerende schrijver ingebracht, die de totaalstroom en de daarbij behorende spanning noteert en de temperatuur bijhoudt.

Door het optreden van stroomverschillen per cassette, bleek het noodzakelijk te zijn, de stroom per cassette te noteren en te registreren, zodat een goed beeld ontstond van de totaal verbruikte stroom per cassette. Bij een verbruik van 240 ampère uur per cassette, moet een voldoende realkalisatie zijn opgetreden. Deze waarde wordt dan ook als criterium gehanteerd om het systeem uit te zetten.

Nadat het systeem is verwijderd, is visueel een goede indicatie te krijgen van de realkalisatie, wat door middel van het uitboren van kernen moet worden bevestigd. Dat gebeurt door een uitgeboorde kern te bespuiten met een indicatie – vloeistof, in dit geval phenolphtaleïne, die boven een ph – waarde van 9 rood kleurt. Rondom de wapening in de geboorde kern zal na aandroging van de indicatievloeistof de kleur verdwijnen. Dit gebeurt alleen bij een ph-waarde van circa 13, zodat dit een goede indicatie is van de behaalde ph – waarde in het beton.

Conclusie
Realkalisatie met het Ervas cassetten – systeem is een goede methode om betonschade, die in een vroeg stadium wordt onderkend, te behandelen, indien het gaat om een schade die voortkomt uit wapeningscorrosie veroorzaakt door carbonisatie in combinatie met vocht.

Als de schade aan het beton een vergevorderd stadium heeft bereikt, heeft realkalisatie géén zin meer, omdat eerst de schade hersteld dient te worden en het nut en voordeel van de realkalisatie dan verloren gaat. Realkalisatie is een techniek die een goede aanvulling geeft op de bestaande reparatie methoden, met zijn eigen specifieke toepassingsmogelijkheden en voordelen.